Проекты ХХI века

О новом источнике нейтронов ОИЯИ

В 2032 году заканчивается ресурс реакторной установки ИБР-2 - одного из ведущих импульсных источников нейтронов в мире. Возникает естественный вопрос, что дальше? В прошлом году в ЛНФ имени И.М.Франка началось обсуждение концепции нового источника четвертого поколения.

С докладом "Источники нейтронов ОИЯИ через 15 лет" на 45-й сессии ПКК по физике конденсированных сред выступил научный руководитель ЛНФ В.Л.Аксенов. Мы попросили Виктора Лазаревича познакомить наших читателей с основными положениями его доклада.

Горизонты исследований с использованием нейтронов

Научная программа современных источников нейтронов многократно обсуждалась, она достаточно обоснована и сформулирована. В этом смысле научная программа ЛНФ полностью соответствует тому, что делается на лучших источниках нейтронов в мире. Эта программа очень обширна, она включает буквально все разделы естествознания. Общая логика современных источников нейтронов, которые, важно подчеркнуть, являются центрами коллективного пользования, ориентирована на широкий круг проблем.

Далее я выделю некоторые актуальные нерешенные задачи и новые вызовы для нейтронных исследований, для которых требуются потоки нейтронов, на порядок большие, чем на реакторе ИБР-2.

Нерешенные научные задачи часто имеют длинную историю и связаны в значительной степени со светимостью источника. В наибольшей степени это относится к фундаментальным исследованиям.

Достаточно "старым" такого рода знаковым экспериментом является рассеяние нейтрона на нейтроне, что чрезвычайно важно для понимания нарушения зарядовой симметрии ядерных сил. Нейтрон был открыт в 1932 году, и почти все его характеристики измерены с той или иной точностью, а сечение нейтрон-нейтронного рассеяния не известно. Это связано с тем, что нейтронной мишени в чистом виде в природе не существует, и единственный способ - это использование сверхинтенсивного источника нейтронов.

Физики ЛНФ в мощной международной коллаборации уже многие годы пытаются поставить этот эксперимент на сверхмощных импульсных источниках федеральных ядерных центров в Сарове и Снежинске. Пока не получается. Дело в том, что такого рода прецизионные эксперименты нужно учитывать уже на этапе проектирования источника. Поэтому формирование научной программы надо начинать одновременно с формированием концепции источника.

К такого же рода, как говорят, "флаговым" экспериментам относятся попытки наблюдения осцилляций нейтрон-антинейтрон, призванные дать новую информацию для физики частиц и космологии. Конкретно, эти осцилляции связаны с барионной асимметрией и механизмом генерации масс нейтрино.

Особое внимание я хотел бы привлечь к исследованиям с использованием ультрахолодных нейтронов (УХН) - это нейтроны очень низких энергий, их скорость движения 5-7 м/с, что соответствует скорости бегуна-спринтера. Другими словами, если бы у нас был микроскоп соответствующего разрешения, то мы могли бы непосредственно наблюдать за перемещениями таких нейтронов. УХН обладают целым рядом уникальных свойств, экспериментально они были открыты в ЛНФ в 1968 году под руководством Ф.Л.Шапиро и сегодня являются традиционным инструментом при изучении нейтрона в связи с проблемами фундаментальной физики. Недавно в ведущем в мире центре нейтронных исследований - Институте имени Лауэ - Ланжевена (ИЛЛ, Гренобль, Франция), где в настоящее время проводятся все главные эксперименты с УХН, были выполнены первые эксперименты с нейтронами по проверке теоретических моделей в физике темной материи и темной энергии.

Мне представляется, что большие перспективы открывают проведенные в последние годы в ИЛЛ наблюдения квантовых состояний УХН в гравитационном поле. Это новая область исследований, и физики ЛНФ участвуют в ее разработке и уже предложили целый ряд новых экспериментов и методов получения высокой плотности УХН, которые могут быть реализованы на новом источнике с большим потоком нейтронов.

Важно отметить, что изучение квантовых состояний УХН в гравитационном поле открывает новые возможности не только в исследованиях физики за пределами Стандартной модели, но и, что возможно важнее, в физике поверхности и тонких пленок с выходящими за пределы современных возможностей прецизионными измерениями кристаллической структуры и динамики, что перекидывает мостик к современным проблемам физики конденсированного состояния.

Концепция научной программы исследований конденсированного состояния вещества на перспективу отличается от таковой в области фундаментальных исследований. Эти исследования связаны с большим набором наук - это физика твердого тела, физика мягкого вещества (полимеры, коллоидные дисперсии, гели, стекла), химия, молекулярная биология, материаловедение, инженерные науки, культурное наследие. Этот перечень постоянно пополняется. В настоящее время более 90 процентов выведенных нейтронов используется для исследований конденсированного состояния.

В методологическом плане особенностью этой области исследований является то, что это системы с очень большим (бесконечным в физическом смысле) числом степеней свободы, и они остаются постоянным источником новых явлений. Поэтому стратегия развития в исследованиях конденсированного состояния ориентирована главным образом на развитие методики и создание экспериментальных установок с опережающими возможностями в соответствии с тенденциями развития вышеназванных наук.

Нейтронная физика развивается в Дубне уже 60 лет, и за это время накоплен большой опыт как в проведении научных исследований, так и в разработке новых методов исследований, специфических для реактора ИБР-2, что тоже очень важно. И в этом смысле будущий источник нейтронов с неизбежностью должен опираться на этот опыт и учитывать те экспериментальные установки, которые сейчас работают, и возможности их дальнейшего развития и использования. Эффективность этих установок была неоднократно подтверждена полученными весомыми результатами.

В числе наиболее перспективных методик я бы отметил развитые на реакторе ИБР-2 оригинальные методы фурье-дифрактометрии и дифракции в реальном времени. На источнике с большим потоком, чем на ИБР-2, станет возможным полноценное использование неупругого рассеяния. В дальнейшем особенно важны методы малоуглового рассеяния и рефлектометрии с использованием поляризованных нейтронов.

Об этих двух последних методах надо сказать отдельно. Дело в том, что в последнее время все большее развитие получают исследования мягкого вещества - полимеров, коллоидных дисперсий и других структур в связи с развитием наук о жизни. Это направление представляется наиболее перспективным, его можно сформулировать как стратегическое: от исследований мягкого вещества - к живой материи. Здесь нейтроны имеют большие преимущества благодаря изотопной зависимости ядерного рассеяния, что позволяет исследовать биологические объекты в естественных условиях водной среды, а магнитные свойства нейтрона позволяют усилить изотопный (водород-дейтерий) контраст.

Тенденции в науках о конденсированном состоянии и в молекулярной биологии нужно учитывать в научной программе на ИБР-2 и на стадии проектирования его технической инфраструктуры, поскольку для упомянутых исследований нужны специальные устройства для замедления нейтронов в холодные и ультрахолодные нейтроны.

Новый интенсивный источник нужен и для ядерной физики. Здесь одна из главных проблем - это проблема нейтронно-избыточных ядер. Это область исследуется давно, но, по существу, масштабные исследования только начинаются. Нужны более интенсивные источники нейтронов. Важный вопрос в этой области - о происхождении сверхтяжелых элементов. Недавно был закреплен приоритет ЛЯР ОИЯИ в открытии новых элементов в Периодической таблице. Возникают следующие вопросы: таблица Менделеева закончилась на этом 118-м элементе или нет? Второй вопрос - это остров стабильности и свойства его элементов. Здесь нейтроны должны сыграть свою роль. В частности, сейчас мы обсуждаем по предложению Юрия Цолаковича Оганесяна работы по 119-му элементу, и часть экспериментальной программы будет выполняться на строящемся в Петербургском институте ядерной физики Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" реакторе ПИК для подготовки мишеней, которые будут исследоваться на циклотронах ОИЯИ. Эта работа не на один год, а на десятилетия, и новый интенсивный источник нейтронов здесь может сыграть свою роль.

Для интенсивного источника нейтронов четвертого поколения весьма перспективно создание ISOL комплекса - изотопного сепаратора on-line с ловушкой Пеннинга для изучения свойств ядер с большим избытком нейтронов. Такой комплекс предназначен для прецизионных измерений в ядерной физике, астрофизике и для производства сверхчистых радионуклидов для медицины. Он тоже должен быть учтен уже на стадии проектирования источника, поскольку мишень для облучения располагается в непосредственной близости от источника. ISOL системы уже работают на мощных ускорителях (например, в ЦЕРН). На нейтронах пока имеется одна пробная установка в ФРГ на низкопоточном реакторе TRIGA, хотя здесь очень большие перспективы для астрофизики в изучении процессов быстрого захвата нейтронов (r-процессы).

Новый источник и Европейский нейтронный ландшафт

Необходимость обновления парка мегаустановок возникает каждые 30-40 лет. Это связано с появлением новых идей и технологий. Новая мегаустановка порождает в свою очередь новые возможности эксперимента, новые идеи и затем технологии и т. д. Реализация этой необходимости зависит от многих факторов объективного и субъективного характера.

В конце концов решающий фактор - финансирование. Реактору ИБР-2, можно сказать, повезло. Проект был создан в 1968 году, в 1984-м реактор был принят в эксплуатацию. Модернизация ИБР-2 проходила с 2006 по 2011 годы, ей предшествовала более чем десятилетняя подготовка, и на этом этапе была активная поддержка Министерства атомной энергии РФ, которое обеспечило участие и финансирование основных работ своих предприятий, что составило половину всех затрат.

Реактор ПИК так же, как и ИБР-2, относится к источникам нейтронов третьего поколения, он начал сооружаться в 1976 году. После аварии в Чернобыле в 1986-м проект был подвергнут доработке в соответствии с новыми нормами безопасности, но стройка с 1992 года фактически была заморожена. Строительство было возобновлено в 2007 году, в 2011-м был проведен физический пуск. В 2013 году строительство реакторного комплекса ПИК было завершено, в настоящее время готовится энергетический пуск, намеченный на конец 2018-го. Завершение строительства стало возможным после перевода ПИЯФ в 2011-м из РАН в НИЦ "Курчатовский институт". Реактор ПИК по проекту самый мощный (100 МВт) источник нейтронов непрерывного действия для исследований на выведенных пучках. Он должен заменить такого же уровня реактор ИЛЛ, который будет выведен из эксплуатации в 2020-х годах.

В настоящее время в Европе эксплуатируются больше десяти источников нейтронов для исследований на выведенных пучках, на которых активно ведется программа пользователей. После 2032 года их останется только пять, включая строящиеся реактор ПИК и Европейский импульсный источник ESS на базе линейного протонного ускорителя с энергией протонов 2 ГэВ и мощностью мишени 5 МВт. Это уже источник четвертого поколения, он сооружается в Лунде (Швеция).

Проект ESS начал обсуждаться в Европе в начале 1990-х годов, и он действительно нужен был уже именно тогда. Но физики из нейтронного центра на базе импульсного источника ISIS (Лаборатория Резерфорда - Эпплтона, Великобритания) выступили против, аргументируя это многообещающими перспективами развития ISIS. В отсутствие единства в нейтронном сообществе официальные органы EС средства не выделили, хотя была проделана огромная работа по научному обоснованию. Ошибочность этой позиции стала понятной позже, стройка началась только в 2014 году. Сейчас она идет очень быстрыми темпами - первые нейтроны планируются в 2019-м. По проекту это самый мощный импульсный источник для исследований на выведенных пучках. Отметим, что параметры реактора ПИК и источника ESS являются предельно достижимыми для каждого из этих типов источников. Чтобы выйти за эти пределы, нужны новые конструкции. Мы провели соответствующие расчеты и показали, что возможно превзойти светимость ESS примерно на порядок.

Проблема катастрофического уменьшения выведенных нейтронов активно обсуждается. В Европе в ближайшее время планируется дополнительно к ESS создание среднепоточных (более дешевых) источников с использованием ускорителей дейтонов. В Исследовательском центре Юлиха, например, рассматривается мишень из бериллия. Такого же типа источники планируются в Сакле и в Бильбао (Испания).

В концепции нового источника, которая сейчас разрабатывается в ЛНФ, два варианта: пульсирующий реактор новой конструкции и размножающая мишень на основе протонного ускорителя. Надо заметить, что реактор ИБР-2 еще раз модернизировать уже не получится. Во-первых, в 2035 году заканчивается ресурс зданий и оборудования, и новый источник должен быть создан на новом месте, не в здании ИБР-2. Во-вторых, были проведены расчеты, и оказалось, что конструкция ИБР-2 настолько оптимальна, что нынешние параметры существенно не улучшить, а нам надо на порядок больше: в импульсе больше 10¹⁶ н/см²/с и в среднем - больше 10¹⁴ н/см²/с.

В варианте ускорителя, чтобы достичь предельных параметров, мы используем для размножающей мишени разработки федерального ядерного центра в Сарове, так называемые каскадные системы. Это позволит нам использовать ускоритель меньшей энергии, чем в ESS, то есть проект будет намного дешевле. Один из вариантов, который сейчас рассматривается, - строительство мишенной станции для источника на базе Нуклотрона вместе с новым бустером. Другой обсуждающийся вариант - новый сверхпроводящий линейный ускоритель протонов. Этот вариант будет, конечно, дороже.

Сравнение возможных параметров нового источника с ESS и ПИК показывает, что те пределы, о которых мы говорим, вполне достижимы. Важно отметить, что новый источник существенно дополнит возможности ПИК и ESS, особенно в условиях надвигающегося кризиса с нейтронами. В ЛНФ сейчас идут работы по обоснованию нового источника четвертого поколения, созданы две рабочие группы по физике конденсированного состояния и по ядерной физике для определения параметров, необходимых для перспективной научной программы. Это начальное условие для разработчиков будущего проекта, поскольку амбициозные (прорывные), а, следовательно, наиболее сложные эксперименты и научные направления (некоторые были отмечены выше) должны быть учтены на стадии проектирования источника. Это один из параметров, отличающих источник четвертого поколения, наряду с предельной светимостью. В дальнейшем начнется работа по детальной разработке проекта нового источника. Естественно, что вся эта деятельность проходит и будет проходить в международной кооперации, и ориентирована на стратегическую программу развития ОИЯИ.

Материал подготовила Ольга ТАРАНТИНА,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ